直噴增壓汽油機火焰?zhèn)鞑ゼ氨鹑紵^程的多維數(shù)值模擬
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更多相關(guān)文章: 直噴增壓汽油機 大渦模擬 燃燒模型 火焰?zhèn)鞑?/b> 爆震
【摘要】:采用高壓縮比和增壓技術(shù)是提高缸內(nèi)直噴汽油機的燃油經(jīng)濟性的重要途徑,但是在中高負(fù)荷工況下會產(chǎn)生爆震燃燒現(xiàn)象。本文采用大渦模擬耦合湍流燃燒模型以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)對直噴汽油機燃燒室內(nèi)的湍流流動、噴霧混合和湍流燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并對爆震這種非正常燃燒現(xiàn)象及其產(chǎn)生的機理進(jìn)行了詳細(xì)解析,以期能更精準(zhǔn)更合理地模擬直噴汽油機的流動燃燒過程。在雷諾平均模擬方法框架下,將一種基于重整化群概念的湍流模型應(yīng)用于可視化單缸機燃燒室內(nèi)湍流流動的模擬計算。在KIVA-3V源代碼平臺下分別采用傳統(tǒng)k??模型和G-RNG k??模型對該四氣門發(fā)動機在倒拖工況下的進(jìn)氣、壓縮和膨脹過程進(jìn)行了模擬。采用試驗數(shù)據(jù)作為發(fā)動機模擬計算的初始和邊界條件,并將模擬結(jié)果與可視化發(fā)動機中的可視化粒子成像測速結(jié)果進(jìn)行了對比分析,綜合評價了G-RNG k??湍流模型在發(fā)動機湍流仿真預(yù)測中的適用性。在源代碼KIVA-CHEMKIN平臺下引入大渦模擬動能輸運單方程亞網(wǎng)格模型,并修改亞網(wǎng)格湍動能輸運方程中噴霧源項的封閉方式,通過標(biāo)準(zhǔn)臺階流動算例對流動和噴霧模型分別進(jìn)行了驗證;隍炞C的模型,對直噴汽油機進(jìn)氣和燃油噴射過程的缸內(nèi)湍流流動和噴霧混合進(jìn)行了模擬,分析了湍流脈動對缸內(nèi)速度場、湍流粘度和湍動能分布的影響,并分析比較了采用雷諾平均方法和大渦模擬方法對模擬結(jié)果的影響。相比雷諾平均方法,采用大渦模擬方法能夠更合理地反映出缸內(nèi)湍流流動的瞬態(tài)細(xì)節(jié)以及直噴汽油機噴霧混合氣形成過程中的濃度分布特性。在大渦模擬方法框架下對離散粒子點火火核模型和G方程湍流燃燒模型進(jìn)行了修正,包括對G方程燃燒模型中湍流火焰與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系式的修正,并在發(fā)動機上進(jìn)行了模型驗證。隨后采用大渦模擬方法動能輸運單方程亞網(wǎng)格模型描述缸內(nèi)的湍流流動,采用離散粒子點火模型模擬燃燒室內(nèi)的火花點火過程,采用G方程湍流燃燒模型描述缸內(nèi)的湍流火焰?zhèn)鞑ミ^程,并采用一種47組分,142步反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)機理描述燃燒室內(nèi)已燃區(qū)的后氧化過程和未燃區(qū)的末端混合氣自燃過程,詳細(xì)解析了直噴增壓汽油機湍流燃燒過程以及爆震燃燒現(xiàn)象,研究了缸內(nèi)亞網(wǎng)格尺度之上的湍流脈動對于缸內(nèi)湍流火焰?zhèn)鞑ズ臀慈紖^(qū)末端混合氣自燃過程的影響,并基于模擬計算結(jié)果對點火時刻和混合氣濃度對發(fā)動機爆震強度的影響進(jìn)行了分析。
【關(guān)鍵詞】:直噴增壓汽油機 大渦模擬 燃燒模型 火焰?zhèn)鞑?/strong> 爆震
【學(xué)位授予單位】:清華大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號】:TK411.2
【目錄】:
- 摘要3-4
- abstract4-9
- 主要符號對照表9-11
- 第一章 引言11-36
- 1.1 研究背景與意義11-12
- 1.2 相關(guān)內(nèi)容的國內(nèi)外研究進(jìn)展綜述12-34
- 1.2.1 直噴汽油機的研究進(jìn)展12-15
- 1.2.2 發(fā)動機湍流燃燒過程大渦模擬的研究進(jìn)展15-28
- 1.2.3 爆震的研究進(jìn)展28-34
- 1.3 主要研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)34-36
- 第二章 數(shù)值計算模型36-56
- 2.1 化學(xué)反應(yīng)流控制方程組36-38
- 2.1.1 質(zhì)量方程36
- 2.1.2 動量方程36-37
- 2.1.3 能量方程37
- 2.1.4 組分方程37-38
- 2.2 湍流模型38-42
- 2.2.1 k -e 湍流模型39
- 2.2.2 G- RNG k-e 湍流模型39-41
- 2.2.3 動能輸運單方程亞網(wǎng)格模型41-42
- 2.3 噴霧模型42-43
- 2.3.1 KH-RT破碎模型42
- 2.3.2 液滴碰撞和聚合模型42-43
- 2.3.3 液滴蒸發(fā)模型43
- 2.3.4 碰壁模型43
- 2.4 點火火核模型43-45
- 2.5 G方程燃燒模型耦合化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)45-53
- 2.5.1 湍流火焰?zhèn)鞑サ腉方程描述45-46
- 2.5.2 層流火焰速度修正46-48
- 2.5.3 湍流火焰速度修正48-49
- 2.5.4 燃燒放熱和組分變化49-51
- 2.5.5 排放物的生成51-52
- 2.5.6 基于化學(xué)反應(yīng)機理的爆震描述52-53
- 2.6 PRF化學(xué)反應(yīng)機理53-55
- 2.7 本章小結(jié)55-56
- 第三章 汽油機冷態(tài)流動的數(shù)值模擬56-71
- 3.1 基本思路56-57
- 3.2 試驗臺架和發(fā)動機參數(shù)簡介57-59
- 3.3 三維數(shù)值模型的建立59-61
- 3.3.1 三維數(shù)值計算網(wǎng)格的建立59-61
- 3.3.2 邊界和初始條件61
- 3.4 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析61-69
- 3.4.1 缸內(nèi)流場的流動特征分析61-63
- 3.4.2 缸內(nèi)流場可解速度分析63-66
- 3.4.3 缸內(nèi)流場維度分析66-68
- 3.4.4 缸內(nèi)流場全局流動參數(shù)分析68-69
- 3.5 本章小結(jié)69-71
- 第四章 直噴增壓汽油機進(jìn)氣和噴霧混合過程的數(shù)值模擬71-89
- 4.1 基本思路71-72
- 4.2 發(fā)動機參數(shù)和燃燒系統(tǒng)簡介72-74
- 4.3 三維數(shù)值模型的建立74-76
- 4.3.1 三維數(shù)值計算網(wǎng)格的建立74-76
- 4.3.2 邊界和初始條件76
- 4.4 LES方法在KIVA代碼下的引入76-83
- 4.4.1 k方程亞網(wǎng)格模型代碼修改76-77
- 4.4.2 噴霧源項封閉方式修改77-79
- 4.4.3 數(shù)值模型驗證79-83
- 4.5 LES方法和RANS方法模擬結(jié)果的對比分析83-88
- 4.5.1 缸內(nèi)進(jìn)氣過程湍流流場的對比分析83-85
- 4.5.2 缸內(nèi)噴霧混合過程的對比分析85-86
- 4.5.3 缸內(nèi)湍流流動參數(shù)的對比分析86-88
- 4.6 本章小結(jié)88-89
- 第五章 直噴增壓汽油機爆震燃燒機理的模擬分析89-113
- 5.1 基本思路89-90
- 5.2 直噴汽油機的湍流火焰結(jié)構(gòu)90-92
- 5.3 基于LES方法的模型修正92-102
- 5.3.1 基于LES方法的DPIK點火模型93
- 5.3.2 基于LES方法的G方程燃燒模型93-97
- 5.3.3 數(shù)值模型驗證97-102
- 5.4 湍流火焰?zhèn)鞑ミ^程的分析102-103
- 5.5 末端混合氣自燃現(xiàn)象的分析103-105
- 5.6 發(fā)動機爆震過程的模擬分析105-112
- 5.6.1 爆震強度評價指標(biāo)106-108
- 5.6.2 不同點火時刻的爆震強度解析108-110
- 5.6.3 不同混合氣濃度的爆震強度解析110-112
- 5.7 本章小結(jié)112-113
- 第六章 總結(jié)與展望113-117
- 6.1 主要工作和研究結(jié)論113-115
- 6.2 主要創(chuàng)新點115
- 6.3 對后續(xù)研究的展望與建議115-117
- 參考文獻(xiàn)117-127
- 致謝127-128
- 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果128-129
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,本文編號:1084873
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